JP2017009441A - Inertial force sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電子機器などに振動子を用いた慣性力センサに関する。 The present invention relates to an inertial force sensor using a vibrator in an electronic device or the like.
従来、振動子や振動子を支持する支持台をウエハから個片化して形成する慣性力センサが知られている。 2. Description of the Related Art Conventionally, there is known an inertial force sensor in which a vibrator and a support base that supports the vibrator are formed by being separated from a wafer.
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献1が知られている。 As prior art document information related to the invention of this application, for example, Patent Document 1 is known.
従来は、角速度センサ素子の製造工程において、素子外周部が、駆動アームおよび錘部で構成されているため、素子を保持することが困難であるという課題を有していた。 Conventionally, in the manufacturing process of the angular velocity sensor element, the outer peripheral part of the element is composed of a drive arm and a weight part, and thus there is a problem that it is difficult to hold the element.
また、振動子(素子)と支持台(下蓋)とが接合する部分が小さいため、振動子と支持台とからなる積層構造体の強度が低下し、積層構造体からなるウェハが破損しやすいといった課題を有していた。 In addition, since the portion where the vibrator (element) and the support base (lower lid) are joined is small, the strength of the laminated structure including the vibrator and the support base is reduced, and the wafer made of the laminated structure is likely to be damaged. There was a problem.
そこで本発明は、検出素子を備える慣性力センサであって、前記検出素子は、第1の基板と、前記第1の基板の上に設けられる第2の基板と、前記第2の基板の上に設けられる第3の基板と、前記第3の基板は、支持部と、前記支持部に接続するアーム部と、前記アーム部に接続する錘部と、前記アーム部の周囲に設けられる周縁部と、を有する構成とする。 Accordingly, the present invention provides an inertial force sensor including a detection element, wherein the detection element includes a first substrate, a second substrate provided on the first substrate, and an upper surface of the second substrate. A third substrate provided on the substrate, a third substrate comprising: a support portion; an arm portion connected to the support portion; a weight portion connected to the arm portion; and a peripheral portion provided around the arm portion. It is set as the structure which has these.
本発明によれば、周縁部が基板および下蓋と接合しているため、複数の振動子からなるウェハの強度が向上し、製造工程でのウェハの破損を抑制することができる。 According to the present invention, since the peripheral portion is bonded to the substrate and the lower lid, the strength of the wafer composed of a plurality of vibrators is improved, and damage to the wafer in the manufacturing process can be suppressed.
以下、本発明の一実施の形態における慣性力センサについて図を用いて説明する。なお、各図面において、同一部分に対する符号の付与を省略し、その説明を適宜省略すことがある。また、各図面は好ましい形態の一例を示すものであり、それぞれの構成・形状・数値に限定されるわけではない。また、実施の形態中で説明する各要素技術を矛盾の無い範囲で適宜組み合わせることは可能である。 Hereinafter, an inertial force sensor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in each drawing, the provision of the code | symbol with respect to the same part may be abbreviate | omitted, and the description may be abbreviate | omitted suitably. Each drawing shows an example of a preferable form, and is not limited to each configuration, shape, and numerical value. Moreover, it is possible to combine suitably each element technology demonstrated in embodiment in the range without a contradiction.
図1は、慣性力の一種である角速度を検出するための検出素子2を示した斜視図、図2は、検出素子2の上面図、図3は、図1の破線部を拡大した図である。
1 is a perspective view showing a
検出素子2は、第1の基板2aと、第2の基板2bと、第3の基板2cと、を積層した構造である。
The
第1の基板2aは、単結晶のシリコン基板を用いて形成されている。単結晶シリコン基板は、加工が容易である、表面が平滑であるので平面度を得ることが容易である、他の基板との接合が容易である、という特徴を有している。しかしながら、第1の基板2aは、単結晶のシリコン基板に限定されない。例えば、水晶や酸化マグネシウム単結晶基板などの単結晶基板、ガラス基板や石英基板等の非晶質基板、またはアルミナやジルコニウム等のセラミック基板等を用いて形成しても良い。
The
第2の基板2bは、第1の基板2aと同じ材料からなる基板を用いることが好ましい。これは第1の基板2aや第3の基板2cとの接合が精度良く実施できるためであるが、第1の基板2aと異なる材料からなる基板を用いて形成してもよい。第2の基板2bは、例えば、単結晶基板やガラス基板等を用いて形成される。
The
更に第1の基板2aと第2の基板2bを同一基板で形成してもよく、具体的には第1の基板2aを加工し、必要な部分に凹凸形状を設けることにより、第1の基板2aと第2の基板2bとの二つの構造体を一つの基板で実現することが可能となる。
Furthermore, the
第3の基板2cは、単結晶のシリコン基板を用いて形成されている。これは、単結晶シリコン基板は加工精度が高く、角速度センサの振動子となる構造体を精度良く形成できるためである。しかしながら、第3の基板2cの材料は、単結晶のシリコン基板に限定されない。例えば、シリコン以外の単結晶基板やガラス基板や石英基板等の非晶質基板、またはアルミナやジルコニウム等のセラミック基板等を用いることが出来る。
The
なお、SOI基板を用いて検出素子2を構成することもできる。この場合、第1の基板2aがシリコン、第2の基板2bが埋め込み酸化膜(シリコン酸化膜)、第3の基板2cがシリコン、からそれぞれ構成される。
Note that the
更に、SOI基板において、予め第1の基板2aおよび第2の基板2bが加工されている基板を用いて検出素子2を構成することもできる。
Further, in the SOI substrate, the
第3の基板2cは、支持部6と、アーム部8と、駆動部10と、検出部11と、モニタ部(図示せず)と、周縁部16a、周縁部16bと、を有する。
The 3rd board |
支持部6は、第3の基板2cの中央に設けられた矩形状の部分である。支持部6において、第3の基板2cと第2の基板2bとが接続される。
The
支持部6は、上面視で第3の基板2cの中央に設けられる。支持部6は、駆動部10に接続される第1の電極18a、検出部11に接続される第2の電極18b、モニタ部に接続される第3の電極18c、基準電位を供給する第4の電極18d、を有する。図2では、一例として、第1の電極18a、第2の電極18b、第3の電極18c、はそれぞれが2つずつ支持部6に設けられ、第4の電極18dは1つ支持部6に設ける場合を図示している。
The
図4に示すように、アーム部8は、第1の部分8a、第2の部分8b、第3の部分8c、第4の部分8d、第5の部分8e、第6の部分8f、第7の部分8g、を有する。
As shown in FIG. 4, the
別の表現では、アーム部8は、支持部6を中心としてY軸方向に伸びる一対の梁と、この梁の先端に接続された一対のアーム部8と、から構成されている。
In another expression, the
第1の部分8aは支持部6からY軸方向に延びる。第2の部分8bは第1の部分8aからX軸方向に延びる。第3の部分8cは第2の部分8bからY軸方向に延びる。第4の部分8dは第3の部分8cからX軸方向に延びる。第5の部分8eは第4の部分8dからY軸方向に延びる。第6の部分8fは第5の部分8eからX軸方向に延びる。第7の部分8gは第6の部分8fからY軸方向に延びる。
The
また、第1の部分8aから第6の部分8fからなる構造体を第1の構造としたとき、第3の基板2cは、図3中のL1に対して第1の構造に対称な第2の構造と、図3中のL2に対して第1の構造に対称な第3の構造と、図3中のL1に対して第2の構造に対称な第4の構造と、を有する。ここで、L1は、支持部6の中心を通り、X軸に平行な仮想線である。L2は、支持6部の中心を通り、Y軸に平行な仮想線である。
Further, when the structure including the
別の表現では、アーム部8は、XY平面内で折れ曲がる複数の屈曲部を有し、支持部6を取り囲む環状の構造を有する。ここで、「屈曲部」とは、第1の部分8aと第2の部分8bとが接続される部分、第2の部分8bと第3の部分8cとが接続される部分、第3の部分8cと第4の部分8dとが接続される部分、第4の部分8dと第5の部分8eとが接続される部分、第5の部分8eと第6の部分8fとが接続される部分、第6の部分8fと第7の部分8gとが接続される部分、である。
In another expression, the
なお、アーム部8は、第1の部分8aから第7の部分8gまでの全てを有する必要はない。例えば、第3の部分8cから第5の部分8eを有さずに構成することもできる。
In addition, the
なお、アーム部8は、第1の部分8aから第7の部分8gに加えて、更に多くの部分を有して構成することもできる。
Note that the
図4は、図2の一部を拡大した図である。 FIG. 4 is an enlarged view of a part of FIG.
周縁部16a(第1の周縁部)は、アーム部8の外側に設けられる部分であり、慣性力の検出に寄与しない部分である。周縁部16aは支持部6、アーム部8、錘部9から分離した別体である。周縁部16aと錘部9とを合わせた形は、上面視で、四角の形状になる。
The
周縁部16aはアーム部8に対向する部分と、錘部9に対向する部分とを有する。周縁部16aと錘部9との間は、幅W1の隙間を設けている。周縁部16aと第2の部分8bとの間の幅は、周縁部16aと第6の部分8fとの間の幅は等しい。この幅をW2とする。周縁部16aと第7の部分8gとの間は、幅W3の隙間を設けている。周縁部16b(第2の周縁部)は、第1の周縁部16aとL1に対して対称な構造を有する。
The
ここでW1とW2とW3とが略等しくなるようにする。W1とW2とW3との寸法が等しいと、振動子を形成するSiドライエッチング工程において、マイクロローディング効果を抑制することができ、振動子を精度良く加工することができる。 Here, W1, W2, and W3 are set to be substantially equal. If the dimensions of W1, W2, and W3 are equal, the microloading effect can be suppressed and the vibrator can be processed with high accuracy in the Si dry etching process for forming the vibrator.
また好ましくは、振動子のアーム幅とW1・W2・W3の寸法とを同じにした方が、ドライエッチング時のライン&スペース比が一定となり、振動子をより精度良く加工することができる。
(補足:マイクロローディング効果とは、ドライエッチングで加工するパターンの幅が小さくなると(もしくはエッチングする部分のアスペクト比:パターン幅/エッチング深さが大きくなると)、エッチング速度が低下する現象であり、エッチング速度が異なるパターンが存在すると、エッチングによる加工形状が悪化するという特徴を有している)
また振動子が振動(駆動)している際、外部衝撃などの外乱要因により、振動子の駆動アームが過振幅する場合があるが、その際、周縁部を一定距離で設けることにより、駆動アームの過振幅を抑制するストッパーとなるため、振動子の信頼性を向上することができる。
Preferably, when the arm width of the vibrator and the dimensions of W1, W2, and W3 are the same, the line and space ratio during dry etching becomes constant, and the vibrator can be processed with higher accuracy.
(Supplement: The microloading effect is a phenomenon in which the etching rate decreases when the width of the pattern to be processed by dry etching decreases (or the aspect ratio of the etched portion: the pattern width / etching depth increases). (If there is a pattern with different speed, the processing shape by etching will deteriorate)
In addition, when the vibrator is vibrating (driven), the drive arm of the vibrator may be over-amplified due to disturbance factors such as external impact. Therefore, the reliability of the vibrator can be improved.
また、アーム部8には駆動部10と検出部11とモニタ電極部(図示せず)を設けている。
The
図5は、検出素子2の動作原理を説明するための図である。
駆動部10と、検出部11とはそれぞれ、Auなどからなる上部電極12と、Ptなどからなる下部電極13と、これらの間に配置されチタン酸ジルコン酸鉛などからなる圧電体14と、を有する積層構造である。
FIG. 5 is a diagram for explaining the operating principle of the
Each of the
ここで、下部電極13がグランドに接続された状態で上部電極12に正電圧が印加されると、電極の積層方向に対して圧縮力が働く。この圧縮力により電極が伸びる方向に応力が発生する。下部電極13がグランドに接続された状態で上部電極12に負電圧が印加されと電極に引張力が働く。この引張力により電極パターンが縮む方向に応力が発生する。
Here, when a positive voltage is applied to the
また、これとは逆にアーム部8が撓み電極に圧縮応力が生じることで負電圧が発生する。電極に引張応力が生じることで正電圧が発生する。
On the contrary, a negative voltage is generated when the
駆動部10にIC(図示せず)から駆動信号を印加することで、錘部9がX軸方向(図2中の矢印A1)に振動する。以下、この振動を「駆動振動」と記載する。駆動振動が発生している状態において、振動平面(XY平面)に直交するZ軸回りの角速度が加わることで、検出素子2にコリオリ力が生じる。このコリオリ力により錘部9が矢印16で示すようY軸方向に検出振動(図2中の矢印A2)し、この検出振動によるアーム部8の撓みを検出部11により電気信号に変換しICに出力する。
By applying a drive signal from the IC (not shown) to the
モニタ電極17は、アーム部8の連接梁7の近傍に設けられる。アーム部8の駆動振動の振動状態を検出しICでの駆動信号の生成にフィードバックする。
The monitor electrode 17 is provided in the vicinity of the connecting beam 7 of the
図6は、本実施の形態の慣性力センサが備える別の検出素子20の上面図である。
FIG. 6 is a top view of another
検出素子20が検出素子20と異なる点は、検出素子20が周縁部16c(第1の周縁部)、周縁部16d(第2の周縁部)、周縁部16c(第3の周縁部)、周縁部16d(第4の周縁部)を備える点である。
The
なお、上述の説明では、圧電体を用いて検出素子を駆動振動させる例について説明したが、これに限らない。例えば、錘部9に第1の櫛歯電極を設け、この第1の櫛歯電極に静電気力を印加することで駆動振動を発生させてもよい。なお、圧電体を用いて検出振動を電気信号に変換する例について説明したが、これに限らない。例えば、錘部9に第2の櫛歯電極を設け、この第2の櫛歯電極の変位にともなう静電容量の変化に基づいて検出振動を電気信号に変換してもよい。
In the above description, the example in which the detection element is driven and vibrated using the piezoelectric body has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, a first comb-shaped electrode may be provided on the
また、検出素子2と、ICとは、例えばセラミックなどからなるパッケージ(図示せず)に実装される。検出素子2と、ICと、パッケージと、慣性力センサが構成される。
The
本発明は、小型化で高精度な慣性力センサが要求される、例えば電子機器において有用である。 The present invention is useful, for example, in an electronic device in which a small and highly accurate inertial force sensor is required.
2、20 検出素子
2a 第1の基板
2b 第2の基板
2c 第3の基板
6 支持部
8 アーム部
8a 第1の部分
8b 第2の部分
8c 第3の部分
8d 第4の部分
8e 第5の部分
8f 第6の部分
8g 第7の部分
9 錘部
10 駆動部
11 検出部
12 上部電極
13 下部電極
14 圧電体
16a、16b、16c、16d、16e、16f 周縁部
2, 20
Claims (6)
前記検出素子は、第1の基板と、前記第1の基板の上に設けられる第2の基板と、前記第2の基板の上に設けられる第3の基板と、を有し、
前記第3の基板は、支持部と、前記支持部に接続するアーム部と、前記アーム部に接続する錘部と、前記アーム部の周囲に設けられる周縁部と、を有する慣性力センサ。 An inertial force sensor including a detection element,
The detection element includes a first substrate, a second substrate provided on the first substrate, and a third substrate provided on the second substrate,
The third substrate is an inertial force sensor having a support part, an arm part connected to the support part, a weight part connected to the arm part, and a peripheral part provided around the arm part.
前記周縁部は、前記アーム部に対向する部分と前記錘部に対向する部分とを有する請求項1の慣性力センサ。 The support portion is provided at the center of the third substrate in a top view,
The inertial force sensor according to claim 1, wherein the peripheral portion has a portion facing the arm portion and a portion facing the weight portion.
前記検出素子と前記ICとを実装するパッケージと、を更に備える請求項1の慣性力センサ。 An IC electrically connected to the detection element;
The inertial force sensor according to claim 1, further comprising a package for mounting the detection element and the IC.
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JP2015125209A JP2017009441A (en) | 2015-06-23 | 2015-06-23 | Inertial force sensor |
Applications Claiming Priority (1)
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